【名师面对面】2016高考物理大一轮复习 第五章 第6讲 实验六 验证机械能守恒定律课件

机械能及其守恒定律第五章第6讲实验六：验证机械能守恒定律一、实验目的验证机械能守恒定律．二、实验原理1．在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能保持不变．若物体某时刻瞬时速度为v，下落高度为h，则重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为12mv2，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守恒定律．2．计算打第n个点的速度的方法：测出第n个点与相邻前、后点间的距离sn和sn＋1，如图5－6－1所示，由公式vn＝sn＋sn＋12T或vn＝hn＋1－hn－12T算出．图5－6－1三、实验器材铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)等．四、实验步骤1．安装实验装置：按如图5－6－2所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路．2．打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方．先接通电源，然后松开纸带，让重物带着纸带自由下落．更换纸带重复做3～5次实验．3．选纸带：分两种情况说明．(1)用12mv2n＝mghn验证时应选点迹清晰且1,2两点间距离小于或接近2mm的纸带．若1,2两点间的距离大于2mm，这是由于先释放纸带，后接通电源造成的，这样第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选．(2)用12mv2B－12mv2A＝mgΔh验证时，由于重力势能的相对性，处理带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1,2两点间的距离是否为2mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用．五、数据处理方法一：利用起始点和第n点计算．代入ghn和12v2n，如果在实验误差允许的范围内，ghn和12v2n相等，则验证了机械能守恒定律．方法二：任取两点计算(1)任取两点A、B测出hAB，算出ghAB；(2)算出12v2B－12v2A的值；(3)在实验误差允许的范围内，若ghAB＝12v2B－12v2A成立，则验证了机械能守恒定律．方法三：图象法．从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以12v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出12v2－h图线．若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．六、注意事项1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，以减小摩擦阻力．2．应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小．3．实验中，须保持提纸带的手不动且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带．4．测下落高度时，要从打下的第一个点测起，为了减小测量h时的相对误差，选取的各计数点要离起始点远一些，并且各点对应下落的高度要一次测量完．5．因为是比较12mv2和mgh是否相等以验证机械能是否守恒，故不需要测量重物质量．6．速度不能用vn＝gtn或vn＝2ghn计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用vn＝gtn计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的结论．实际上因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算．同样的道理，重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量，而不能用hn＝12gt2n或hn＝v2n2g计算得到．七、误差分析1．本实验中因纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减小量ΔEp，即ΔEkΔEp，这属于系统误差．改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．2．本实验的另一个误差来源于长度的测量，其属于偶然误差．减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，依次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值来减小误差．3．实验中未能保证纸带上第1、第2个打点间距等于2mm，以确保打第一个点时，重物的速度为零，也是造成误差的原因之一．【跟踪训练】如图5－6－3所示为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．现有的器材：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平．回答下列问题：(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有______．(填入正确选项前的字母)A．米尺B．秒表C．0～12V的直流电源D．0～12V的交流电源(2)实验中误差产生的原因有____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(写出两个原因)．【答案】(1)AD(2)纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的距离时读数有误差“验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图5－6－4所示的甲或乙方案来进行．(1)比较这两种方案，________(填“甲”或“乙”)方案好些，理由是__________________________．(2)如图5－6－4丙所示是该实验中得到的一条纸带，测得每两个计数点间的距离如图中所示，已知每两个计数点之间的时间间隔T＝0.1s．物体运动的加速度a＝___________；该纸带是采用__________(填“甲”或“乙”)实验方案得到的．简要写出判断依据__________________________________.丙图5－6－4(3)如图5－6－5所示是采用甲方案时得到的一条纸带，在计算图中N点速度时，几位同学分别用下列不同的方法进行，其中正确的是()图5－6－5A．vN＝gnTB．vN＝sn＋sn＋12TC．vN＝dn＋1－dn－12TD．vN＝g(n－1)T解析本题以“验证机械能守恒定律”为背景，考查学生对实验方案的选择和通过纸带求物体的加速度和某点的瞬时速度的掌握情况，综合考查学生在力学实验方面的基本能力．答案(1)甲因为这个方案摩擦阻力小，误差小，操作方便，实验器材少(2)4.8m/s2乙因为物体运动的加速度比重力加速度小很多(3)BC用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中：(1)运用公式12mv2＝mgh对实验条件的要求是______________________________________，为此，所选择的纸带第1,2点间的距离应接近____________________________________．(2)若实验中所用重锤的质量m＝1kg，打点纸带如图5－6－6所示，打点时间间隔为0.02s，则记录B点时，重锤的速度vB＝______________，重锤的动能Ek＝________，从开始下落起至B点重锤的重力势能的减小量是____________，由此可得出的结论是_____________________________．(图中单位：mm，结果保留两位有效数字)图5－6－6(3)根据纸带算出各相关点的速度v，量出下落的距离h，以v22为纵轴，以h为横轴画出的图线应是图中的_______，就证明机械能是守恒的，图象的斜率代表的物理量是_________．ABCD【答案】(1)在打第一个点时，重锤恰好由静止开始下落2mm(2)0.59m/s0.17J0.17J减小的重力势能等于增加的动能，机械能守恒(3)B重力加速度g